引汉济渭椒溪河隧洞施工通风数值模拟研究

引汉济渭工程是陕西省为缓解关中渭河沿线城市和工业缺水问题,而提出的由汉江调水到渭河流域的大型水利工程。椒溪河段工程为穿河段,地形地质相对复杂,隧洞施工期的通风问题也相对比较严重。采用CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟方法对带有支洞隧洞的通风过程进行模拟,研究几种典型工况下隧洞内的流场和浓度场在施工期时随时间的变化规律,分析掌子面以及支洞内涡流对气流及有害气体分布的影响。在气流排散通道不顺畅时,掌子面附近的涡流区域内涡流的大小和位置呈现周期性的变化,并随通风时间的增加影响范围逐渐降低。隧道爆破产生的有害气体和烟尘会随着气流的流动发生移动和扩散过程,并逐渐排向洞外。通过对隧洞主洞与支洞内气流和有害气体排散过程的研究,得出隧洞爆破后在通风作用下隧洞的掌子面附近和支洞与主洞的交叉位置处形成涡流区,涡流的产生和变化不断的消耗通风的机械能,降低通风效率,对有害气体的排散造成一定的阻滞作用,隧洞内有害气体的排散过程包括移动和扩散两方面,移动过程将CO排向洞外,扩散过程不断的降低洞内CO峰值,总结出了不同工况下隧洞内达到安全浓度的时间,对隧洞施工进度给出一定的参考意见。     

考虑渗滤液回灌作用下垃圾填埋场的边坡稳定数值分析

随着现代城市垃圾的急剧增加,垃圾填埋场的安全问题也就显得尤为重要。文章以西安市江村沟垃圾填埋场为例,采用有限元软件计算了渗滤液回灌前后的渗流场,并运用有限元强度折减法对渗滤液回灌前填埋场的稳定性进行了分析。分析结果表明:填埋场渗滤液回灌后浸润面明显上升,边坡容易失稳;渗滤液回灌前边坡处于稳定状态,其边坡最小安全系数为1.40;在不考虑孔隙水压力情况下,渗滤液回灌后对填埋场的边坡稳定影响不大。     

基于有限元模拟的分布式光纤监测PCCP断丝可行性研究

作为预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe, PCCP)常见的一种结构破坏形式,断丝的发生会对管体结构的承载能力产生很大的影响。通过某调水工程为原型建立了埋地PCCP的“石-土-管”有限元模型;通过改变断丝数量及断丝位置,分析了不同断丝工况下管体表面应变的变化规律;以有限元计算结果为光纤测值,结合现有分布式应变光纤传感技术的测量精度和空间分辨率,分析了采用分布式光纤应变传感技术监测PCCP断丝的可行性。结果表明：当PCCP发生常见断丝情况时,断丝区表面产生的应变较未发生断丝区域有明显变化,且当断丝数量达到3根及以上时,PCCP表面产生的应变变化均大于2με,且随断丝数量的增加,应变也逐渐增大,即利用目前已有的长距离分布式光纤监测技术对其进行监测在理论上是可行的,可为实际工程中PCCP断丝的分布式光纤监测设计提供指导。     

深覆盖层上面板堆石坝防渗墙应力变形分析

采用三维非线性有限元方法分析深覆盖层上面板堆石坝防渗墙应力变形特性,覆盖层和坝体材料的本构关系采用邓肯-张E-B模型,在防渗墙和覆盖层之间设置接触摩擦单元以模拟两者之间的相互作用。通过建立的有限元模型分析了坝体分期筑坝、坝体填筑速度以及防渗墙施工顺序对墙体应力变形特性的影响,同时探讨悬挂式防渗墙的应力变形特性。计算结果表明:坝体分期填筑对防渗墙的应力变形特性影响较小;较快的施工速度将引起坝体竣工期防渗墙较大的应力变形,其中拉应力达到3 MPa,顺河向变形达到15 cm;防渗墙靠后的施工顺序可以使运行期防渗墙拉应力减小2.42 MPa,顺河向变形减小达85%;悬挂式防渗墙贯入深度越小,其应力变形特性越趋于安全稳定。     

基于修正立方定律对单裂隙辐射流剪切耦合的研究

修正了辐射流立方定律,并研究了裂隙的力学性能和水力特性。进行了不同恒定法向压力和剪切速率下的高液压水头剪切渗流实验。发现峰值剪切强度随剪切速率的增加呈现先增大后减小的趋势。线性系数A和非线性系数B都随剪切位移先增大后减小,且减小后的稳定值小于剪切破坏前的值。但是系数B比系数A大5个数量级,变化幅度更大。临界雷诺数经剪切破坏后大于剪切破坏前的值,流态将变好。此外,剪切过程中的水力特性也表现出与力学性能相似的趋势。     

黏土结合水起始剪切力对非达西渗流的影响

黏土结合水对黏土的流变、膨胀以及渗透等有显著影响,了解黏土结合水性质变化对黏土研究具有重要意义。基于黏土双电层理论,由黏土微电场推导黏土结合水抗剪强度与结合水到黏土颗粒距离的函数关系,并以此解释黏土非达西渗流的机理。结果表明:黏土结合水具有类似非牛顿液体性质,双电层中每一处结合水存在"起始剪切力",当水压力超过结合水的"起始剪切力"时,结合水将发生移动;黏土非达西渗流存在起始水力梯度,且起始水力梯度与结合水的"起始剪切力"呈线性关系;当黏土开始发生渗流时,结合水在孔隙中流速呈曲线分布,流量与水力梯度呈非线性关系,黏土渗流特征曲线出现下凹型非线性曲线。     

考虑辐射井的栗西尾矿坝渗流数值分析

针对尾矿库区内浸润线高从而引发的安全性问题,为了有效排出尾矿内部的水,降低浸润线,结合栗西尾矿库工程实例,开展渗流数值仿真模拟,简化模拟了一种辐射井建模的方法,分析了增设辐射井设施前后对渗流结果的影响,包括坝顶处底部至顶部压力水头变化、浸润线位置的变化以及上游至下游总水头变化,并把计算结果和实测结果作了对比。综合结果表明:堆积坝顶处的压力水头由底部向顶部接近线性降低。对于同一节点来说,增设辐射井后,压力水头几乎不会随着干滩长度减小而变化,但坝内浸润线得到了有效降低。计算结果与实测浸润线作对比,增设辐射井后,浸润线和实测浸润线耦合较好,有着较小的误差,范围在0.1%～7.7%之间,较为合理。研究结果考虑了辐射井的影响,为尾矿坝的三维渗流分析提供了参考依据。     

岩体单裂隙辐射流水力耦合试验研究

通过构造具有不同几何特征的裂隙，综合考虑粗糙度、法向压力、剪切位移的影响，研究了单裂隙辐射流条件的剪切渗流耦合特性。结果发现不同裂隙的渗流量和渗透系数随剪切位移变化明显，且法向压力的作用也随剪切位移增加而改变；对于表面轻微破坏的裂隙，初始剪切位移会增加裂隙渗透性，随后达到基本稳定，但裂隙一旦发生严重破坏并生成较多填充物，进一步剪切将会减小裂隙渗透性及导致其随剪切位移波动；对于生成大量填充物的裂隙，由于较高的水压会引起填充物在裂隙内重分布，从而封堵渗流路径，减少渗流量；在强耦合过程中裂隙渗透性随剪切位移的变化很难用一个统一关系表达式来描述，但粗糙度和法向压力的影响均与不同剪切阶段呈很强的关联性。     

金川水电站地下厂房裂隙围岩渗控效应数值模拟与评价

针对金川水电站工程区复杂的地质条件和渗控措施,分别建立基于排水孔等效模拟的坝基整体模型和基于密集排水孔"弃孔算法"精细模拟的左岸厂区子模型,采用Signorini型变分不等式和自适应罚函数相结合的稳定渗流分析方法对厂区围岩的长期渗控效应进行论证和敏感性分析。在数值模拟中,为了克服传统分析所采用的均质各向同性渗透系数不能反映裂隙岩体渗透特性的不足,首先根据两岸和坝基岩体优势裂隙组的空间展布情况,基于统计学方法初步确定其渗透系数张量并获得主值及主方向,再根据钻孔压水试验资料确定的等效渗透系数对其进行修正,并通过坝址区的地下水位反分析对该方法进行了验证。结果表明,运行期工况下防渗排水系统对山体地下水位具有控制作用,主变洞和发电机层底板处于自由面之上,厂房和调压室底板稍有承压性。帷幕的渗透特性、辅助排水孔幕以及排水孔间距对渗流场分布影响很小但能显著减小厂房洞室及排水廊道的渗漏量,因此应保证防渗帷幕的施工质量并建议设置辅助排水孔幕,建议中层廊道以下的排水孔间距设为3 m,中层廊道以上的排水孔间距放宽到4.5 m。     

求解三维均质边坡安全系数的稳定性图表法研究

边坡稳定性图表为初步评价边坡的稳定性提供了一种简单但却行之有效的途径。针对现有三维稳定性图表主要是基于极限平衡法和极限分析法提出的不足,采用基于场变量的有限元强度折减法,建立了一套求解三维均质边坡安全系数的稳定性图表。借助ABAQUS软件的二次开发平台UFIELD程序,设置岩土体黏聚力与内摩擦角为场变量的函数,场变量为增量步时间t的函数,从而通过控制增量步时间t实现黏聚力与内摩擦角的折减,通过一次计算即可求得边坡的安全系数,无需手工修改折减系数反复试算。结合3个典型算例对该方法的可靠性进行了验证,并进行了计算效率的比较。结果表明,该方法得到的安全系数可靠,且提高的计算效率。另外,将基于该方法提出的三维均质边坡稳定性图表用于快速获取边坡安全系数、设计边坡坡度和反演滑带土体的强度参数,是合理可行的。